CN108254434B - 一种埋地管道免开挖磁感检测的探头阵列装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于无损检测领域，提供一种埋地管道免开挖磁感检测的探头阵列装置及检测方法，所述探头阵列装置包括探头框架，所述探头框架两侧对称设置若干磁场传感器，所述磁场传感器总数至少有4个，所述探头框架的竖直中轴位置固定有一根连接轴，所述连接轴高出所述探头框架的部分设置有转盘和齿轮盘，所述转盘可绕所述连接轴自由转动，所述齿轮盘与所述连接轴刚性固定，所述转盘上固定有圆周编码器，所述圆周编码器上安装有小齿轮，所述小齿轮与所述齿轮盘啮合。本发明创新性提出和使用“磁场角度阵列”、“磁场梯度阵列”的概念，并实现这两个阵列的测量计算，方便更准确、更全面的检测埋地管道应力信号。

Description

一种埋地管道免开挖磁感检测的探头阵列装置及检测方法

技术领域

本发明属于无损检测领域，尤其涉及一种埋地管道免开挖磁感检测的探头阵列装置及检测方法。

背景技术

对于大型长输管道的检测，一种比较成熟的方法是内检法，也就是利用基于漏磁检测原理的管道猪(Pipeline Pig)来检测管道上的材料腐蚀。但是，对于管道半径比较小、甚至多种管道连接在一起，管道阀门弯头比较多，管网复杂，或者没有管道猪投放口的情况下，管道猪检测法也失去了其可行性。对埋地管道进行大量开挖检验存在检验效率低、费用高、影响生产等问题，不具备可行性；抽检局部位置则可能导致隐患部位的漏检。当前，普通的工业埋地管道检测，需要一种能够实现在免开挖的情况下，方便、快速地对缺陷或隐患部位进行定位的检测方法。

金属磁记忆检测方法主要应用于检测铁磁性材料的应力集中区域。铁磁性材料出现缺陷之前大多数会因为长时间的应力载荷作用出现应力集中区域，而后会出现位错等缺陷，所以金属磁记忆检测技术具有对铁磁性材料的预警作用，定期对铁磁性材料进行金属磁记忆检测，可以将铁磁性材料工件的失效事故降低。金属磁记忆检测方法对表面甚至深度达数十毫米的缺陷都可以准确检测，这种检测方法在进行检测时，不需要清理被测材料的表面，使得检测更加便捷，具有较快的检测速度，适用于现场的快速检测。

磁记忆主要采用磁场大小、过零点以及磁场梯度作为埋地管道应力的特征值。在一定程度上，这些特征值能大致地表征出埋地管道上的应力集中点，但是更多的特征量还是需要进一步探索发掘。另一方面，要进行埋地管道的磁记忆应力检测，先要进行磁场的检测。目前专利和文献中，有几种磁信号以及其梯度的检测方案：如申请号为CN200710025170.5专利中，利用4个传感器检测两条垂直线上的磁场梯度；申请号为CN201310406453.X专利中，利用7个传感器检测三条线上的磁场梯度；申请号为CN201520407551.X的专利中，设置两个滑槽和4个传感器，同样只能检测两条线上的梯度。这些方案中，没有提出和使用“磁场角度阵列”的概念，也没有提出和使用“磁场梯度阵列”的概念，因此现有技术方案没有发现和利用新的特征量，检测的磁场梯度比较单一，没有构成梯度阵列，而且没有考虑实际检测中的环境干扰问题，不利于检测数据中背景影响的去除。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种埋地管道免开挖磁感检测探头阵列装置及检测方法，旨在解决现有技术方案检测的磁场梯度比较单一、不利于检测数据中背景影响的去除的技术问题。

一方面，所述埋地管道免开挖磁感检测的探头阵列装置包括探头框架，所述探头框架两侧对称设置若干磁场传感器，所述磁场传感器总数至少有4个，所述探头框架的竖直中轴位置固定有一根连接轴，所述连接轴高出所述探头框架的部分设置有转盘和齿轮盘，所述转盘可绕所述连接轴自由转动，所述齿轮盘与所述连接轴刚性固定，所述转盘上固定有圆周编码器，所述圆周编码器上安装有小齿轮，所述小齿轮与所述齿轮盘啮合。

进一步的，所述转盘包括大转盘和小转盘，所述圆周编码器位于所述大转盘边缘，所述圆周编码器用于拾取所述齿轮盘相对于大转盘的转动角度并输出，所述大转盘和小转盘的边缘各存在一个小孔，通过这两个小孔和检测仪行走车的固定参考点连接，实现探头阵列装置安装在检测仪行走车上。

进一步的，相邻上下两层磁场传感器的间距为350mm。

另一方面，所述埋地管道免开挖磁感检测方法包括下述步骤：

对探头阵列装置中的各磁场传感器进行校准和当地地磁场检测；

将探头阵列装置安装在检测仪行走车中，并贴近地面沿埋地管道轴线方向前进检测，探头阵列装置中的各磁场传感器获取埋地管道磁信号数据，包括角度数据和梯度数据，所述角度数据参考当地地磁场角度和探头框架当前的转动角度进行补偿，所述梯度数据参考当地地磁场的梯度进行补偿，得到地埋管道的本征信号数据，然后经模数转换后进行实时分析显示并保存，其中所述实时分析显示的内容包括磁场角度阵列信号-行走距离的变化曲线，以及磁场梯度阵列信号-行走距离的变化曲线；

根据曲线显示得到埋地管道上应力集中区的应力信号来源的定位。

进一步的，所述磁场梯度阵列信号-行走距离的变化曲线中，所述磁场梯度阵列信号的曲线显示有梯度叠加模式显示、梯度消减模式显示以及Z方向和Y方向的梯度平均值显示，所述Z方向为垂直地面方向，所述Y方向为在水平面且与磁场传感器所在平面平行的方向。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种阵列探头装置结构，用于埋地管道的应力集中、疲劳损伤和其他缺陷的免开挖检测，相较于现有技术方案，本发明可以方便地得到多个埋地管道应力集中的特征值，包括磁场角度，磁场梯度以及它们的阵列，方便进行埋地管道应力的评估。另外，因为采用阵列探头，所以能确定信号的来源方向，利于其他铁磁性器件的干扰信号的排除。同时，因为采用阵列探头，多个传感器同时工作，所以信号更稳定，方便检测微弱的埋地管道信号，装置灵敏度也得到提升。此外，因为采用阵列方式，多个传感器之间，可以进行关联，采用叠加或者消减方法，进一步降低背景噪声，去除信号中的本底，方便对埋地管道进行更多更准确的评估。本发明创新性提出和使用“磁场角度阵列”、“磁场梯度阵列”的概念，并实现这两个阵列的测量计算，方便更准确、更全面的检测埋地管道应力信号。

附图说明

图1是以四个传感器为例的埋地管道免开挖磁感检测的探头阵列装置的结构图；

图2是探头阵列装置检测出的磁场角度阵列信号-行走距离的变化曲线图；

图3是Y轴和Z轴磁场梯度阵列信号-行走距离的变化曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

如图1所示，本实施例提供的埋地管道免开挖磁感检测的探头阵列装置包括探头框架1，所述探头框架两侧对称设置若干磁场传感器，所述磁场传感器总数至少有4个，图示中4个磁场传感器分别为第一传感器21、第二传感器22、第三传感器23、第四传感器24，所述探头框架1的竖直中轴位置固定有一根连接轴3，所述连接轴3高出所述探头框架1的部分设置有转盘(图示中转盘包括大转盘41和小转盘42)和齿轮盘5，所述转盘可绕所述连接轴3自由转动，所述齿轮盘5与所述连接轴3刚性固定，所述转盘上固定有圆周编码器6，所述圆周编码器6上安装有小齿轮7，所述小齿轮7与所述齿轮盘5啮合。

本装置中，磁场传感器的排列方式采用竖直等距的方式，相邻上下两层磁场传感器之间的距离依据实际情况而定，一种方案是可以选350mm左右。探头阵列中，磁场传感器至少有4个，用来检测磁场大小，传感器左右两侧对称设置，磁场传感器所在的阵列平面与底面垂直，同时也和检测前进方向(也就是埋地管道的轴向方向)垂直。在采用更多传感器的情况下，可以沿传感器竖直排列方向等距扩展，安装多个传感器，进一步提高磁场的角度和梯度检测能力。

本实施例中，每个磁场传感器本身具有XYZ三个方向的磁场大小检测能力，并且具备优秀的线性和相对较大的动态范围，适合作为埋地管道磁感应力的检测。为了便于简化后期磁场大小、磁场角度和磁场梯度的计算，传感器的XYZ三轴敏感方向才采用如下方法定义：X轴在水平方向，垂直于传感器阵列所在的平面；Y轴也在水平方向，和传感器横向排列方向重合；Z轴在竖直方向，和传感器竖直排列方向重合。

图示中，转盘包括大转盘和小转盘，所述圆周编码器位于所述大转盘边缘，所述圆周编码器用于拾取所述齿轮盘相对于大转盘的转动角度并输出，所述大转盘和小转盘的边缘各存在一个小孔，通过这两个小孔和检测仪行走车的固定参考点连接，实现探头阵列装置安装在检测仪行走车上。大转盘、小转盘和齿轮盘的上下位置不做限定。大小转盘与连接轴转轴连接，不能上下移动，而齿轮盘与连接轴是刚性固定，因此通过该连接轴，齿轮盘和传感器阵列的转动角度保持一致。

本装置具体使用过程如下：

S1、使用前先要对传感器的进行校准和检测当地地磁场。传感器校准方面可以遵循一般的程序，这里不赘述，完成了传感器的校准和当地地磁场的检测之后，就可以进行埋地管道的检测。

S2、进行检测时，将本装置安装在检测仪行走车上，检测仪行走车贴近地面沿埋地管道轴线方向行走检测，探头阵列装置中的各磁场传感器获取埋地管道磁信号数据，包括角度数据和梯度数据，然后经模数转换后进行实时分析显示并保存，其中所述实时分析显示的内容包括磁场角度阵列信号-行走距离的变化曲线，以及磁场梯度阵列信号-行走距离的变化曲线；

S3、最后根据曲线显示得到埋地管道上应力集中区的应力信号来源的定位。

由于现有埋地管道磁感检测方案中，都没有采用磁场角度没有被作为应力的特征量，而实际上，因为埋地管道磁信号的叠加，当地的磁场矢量的大小和方向都有了改变。本发明根据各传感器的磁场角度数据，然后根据当地磁场角度和探头框架的转动角度(即齿轮盘相对于大转盘的转动角度)进行补偿，作为一种补偿方案，可以用角度数据减去当地地磁场角度和探头框架当前的转动角度，当然也可以采用其他计算补偿方案，最后得到磁场角度阵列信号-行走距离的变化曲线，如图2所示一个实际检测实例，显示了四个传感器的磁场角度补偿后的变化情况，可以清晰地看出埋地管道上应力集中区的磁场角度变化。并且根据传感器阵列位置，可以确定引起磁场角度变化的信号源的方位，比如图2中，距离在1838单位间隔距离和2840单位间隔距离之间时磁场角度发生了大幅变化，因此可断定埋地管道该段为应力集中区。这里的单位间隔距离并非实际的行走距离，而是根据实际行走距离进行映射对应，比如一个单位间隔距离对应实际行走距离d毫米。

同时可以得到磁场梯度阵列信号-行走距离的变化曲线。埋地管道的检测特征量梯度提升到梯度阵列之后，从单个的梯度，提升到多个梯度信号。并且在这多个传感器的梯度中，根据当地地磁场梯度进行补偿，然后进行进一步关联，作为一种具体补偿方案，所述梯度数据减去当地地磁场的梯度，当然也可以采用其他计算补偿方案。最后得到磁场梯度阵列信号-行走距离的变化曲线，比如梯度叠加模式和消减模式的曲线显示，梯度叠加模式是指将多个传感器补偿后的梯度数据进行相加，梯度叠加模式有利于确定信号的强度大小，对埋地管道的应力以及疲劳损伤进行定量评估，信号更稳定，方便检测微弱的埋地管道信号，仪器的灵敏度也得到提升。梯度消减模式是两个传感器补偿后的梯度数据进行相减，梯度消减模式有利于确定信号的来源，在去除外界的干扰方面，特别有利。另外，还可以进行Z方向和Y方向的梯度平均值显示，在同一个方向上，可以进行多个梯度的对比，判断埋地管道磁信号梯度的大小以及其变化趋势，实现埋地管道应力信号来源的定位。如图3所示，图3也是实际中埋地管道的梯度检测结果，图示中S1S2曲线是第一传感器和第二传感器在Y方向的梯度平均值的变化曲线，S3S4曲线是第三传感器和第四传感器在Y方向的梯度平均值的变化曲线，S1S3曲线是第一传感器和第三传感器在Z方向的梯度平均值的变化曲线，S2S4曲线是第二传感器和第四传感器在Z方向的梯度平均值的变化曲线。从图3可以看出，S1S3曲线和S2S4曲线的变化幅度较大，因此信号主要来源于Z方向，也就是垂直于地面的方向。同时，水平Y方向也有小部分信号，这个主要是因为埋地管道信号的水平分量。一般情况下，水平方向分量小于垂直方向分量。根据图3所示，可以确定信号确定来源于地下的埋地管道的具体位置。本发明利用此种探头阵列，可以有依据地剔除背景磁场和外界干扰磁场，方便数据处理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种埋地管道免开挖磁感检测的探头阵列装置，其特征在于，所述探头阵列装置包括探头框架，所述探头框架两侧对称设置若干磁场传感器，所述磁场传感器总数有4个，所述探头框架的竖直中轴位置固定有一根连接轴，所述连接轴高出所述探头框架的部分设置有转盘和齿轮盘，所述转盘可绕所述连接轴自由转动，所述齿轮盘与所述连接轴刚性固定，所述转盘上固定有圆周编码器，所述圆周编码器上安装有小齿轮，所述小齿轮与所述齿轮盘啮合；

通过所述探头阵列装置进行埋地管道免开挖磁感检测方法，包括下述步骤：

对探头阵列装置中的各磁场传感器进行校准和当地地磁场检测；

将探头阵列装置安装在检测仪行走车中，并贴近地面沿埋地管道轴线方向前进检测，探头阵列装置中的各磁场传感器获取埋地管道磁信号数据，包括角度数据和梯度数据，所述角度数据参考当地地磁场角度和探头框架当前的转动角度进行补偿，所述梯度数据参考当地地磁场的梯度进行补偿，得到地埋管道的本征信号数据，然后经模数转换后进行实时分析显示并保存，其中所述实时分析显示的内容包括磁场角度阵列信号-行走距离的变化曲线，以及磁场梯度阵列信号-行走距离的变化曲线；

根据曲线显示得到埋地管道上应力集中区的应力信号来源的定位。

2.如权利要求1所述埋地管道免开挖磁感检测的探头阵列装置，其特征在于，所述转盘包括大转盘和小转盘，所述圆周编码器位于所述大转盘边缘，所述圆周编码器用于拾取所述齿轮盘相对于大转盘的转动角度并输出，所述大转盘和小转盘的边缘各存在一个小孔，通过这两个小孔和检测仪行走车的固定参考点连接，实现探头阵列装置安装在检测仪行走车上。

3.如权利要求1所述埋地管道免开挖磁感检测的探头阵列装置，其特征在于，相邻上下两层磁场传感器的间距为350mm。

4.如权利要求1所述埋地管道免开挖磁感检测的探头阵列装置，其特征在于，所述磁场梯度阵列信号-行走距离的变化曲线中，所述磁场梯度阵列信号的曲线显示有梯度叠加模式显示、梯度消减模式显示以及Z方向和Y方向的梯度平均值显示，所述Z方向为垂直地面方向，所述Y方向为在水平面且与磁场传感器所在平面平行的方向。

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